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深入理解java虚拟机(一)

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Java自动内存管理机制

 

Java程序员把内存控制的权利交给Java虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,不了解虚拟机是怎样使用内存的,排查错误将会成为一项异常艰难的工作

 

Java虚拟机内存的各个区域都有不同的作用、服务对象及可能产生的问题

运行时数据区域

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则是依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域。

程序计数器:Program Counter Register)是一块较小的内存空间,是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器完成。

Java虚拟机多线程通过线程轮流切换并分配处理器执行时间来实现,任何确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要独立的线程计数器,计数器互不影响,独立存储,线程私有的内存。如果是Native方法,这个计数器值则为空,是唯一一个在Java虚拟机规范中没有任何OutOfMemoryError情况的区域

Java虚拟机栈: 线程私有,是Java方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

经常把Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种方法比较粗糙,只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。而这里的栈就是现在讲的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中的局部变量部分。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配。

这个区域规定了两种异常状况:如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度,将抛出StackOverflowError异常;如果虚拟机栈可以动态扩展,当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈:为虚拟机使用到的Native方法服务

Java堆:(Java HeapJava虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例都在这里分配内存。是垃圾收集器管理的主要区域,也被称作“GC。现在收集器基本都是采用的分代收集算法,所以Java堆中还可以细分为:新生代和老生代;堆中可能划分出多个线程私有的分配缓冲区。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中,只要逻辑上是连续的即可。可通过(-Xmx-Xms控制)。堆无法扩展时,抛出OutOfMemoryError

方法区是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但它有一个别名叫做Non-Heap。很多人愿意把方法区称为“永久代”(Permanent Generation),本质上两者不等价,仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择把GC分代收集扩展至方法区,或者使用永久代来实现方法区而已。垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,当方法区无法满足内存分配需求时,将抛出OutOfMemoryError

运行时常量池 是方法区的一部分。Clas文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述等信息外,还有一项信息就是常量池,用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。运行时常量池,运行期间也可能将新的常量放入池中。String intern()方法,当无法申请内存时也会报出OutOfMemoryError

直接内存(Direct Memory不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。频繁使用,也会导致OutOfMemorError。新加入了NIO类,引入基于通道与缓存区的I/O方式,它可以使用Native函数库直接分配堆外内存。


对象访问: Object obj = mew Object(); Object obj这部分语义反映到Java栈的本地变量表中,作为一个reference类型数据出现。new Object()反映到Java堆中。另外在Java堆中还必须包含能找到此对象类型数据(如对象类型、父类、实现的接口、方法等)的地址信息,这些类型数据存储在方法区中。

Reference类型在虚拟机规范总只规定了一个指向对象的引用。并没有定义这个引用应该通过那种方式去定位,以及访问到Java堆中的对象的具体位置,主流的访问方式有两种:句柄和直接指针。

如果使用句柄方式,Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址信息,优点对象移动方便,只需要修改句柄中的实例数据指针

使用指针方式,reference中直接存储的是对象地址(速度快)


实战:OutOfMemoryError

Java堆溢出:Java堆用于存储对象实例,我们只要不断的创建对象,并且保证GC ROOTS到对象之间有可达路径来避免垃圾回收机制清除对象,就会在对象数量到达最大堆的容量限制后产生内存溢出异常

OOM最常见的内存溢出异常  java.lang.OutOfMemoryError会跟着进一步提示”java heap space”

虚拟机栈和本地方法栈溢出:在单线程下,无论是由于栈帧太大,还是虚拟机栈容量小,当内存无法分配时,都会抛出StackVoerflowEror,多线程的时候,通过不断建立线程的方式可以产生内存溢出异常。

运行时常量池溢出 –XX:PermSize  -XX:MaxPermSize限制方法区的大小,间接限制其中常量池容量。运行时常量池溢出,在OutOfMemoryError后面跟随提示“PermGen space,说明运行时常量池属于方法区

方法区溢出:方法区用于存放Class的相关信息,运行时产生大量的类去填充方法区,直到溢出。如动态产生类(反射和动态代理),CGLib直接操作字节码运行时,生成大量动态类。增强的类越多,就需要越大方法区来保证动态生成的Class可以加载入内存

本机直接内存溢出:DirectMemory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize指定,如果不指定,则默认与java堆的最大值-Xms一样。

 

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